Синтез конечных автоматов малой мощности

Конечные автоматы (FSM) широко используются для реализации логики управления в различных приложениях, таких как микропроцессоры , цифровая передача, цифровые фильтры и цифровая обработка сигналов . Даже для проектов, содержащих большое количество ^{[ нужны разъяснения ]} Из канала данных элементов контроллер занимает значительную часть. Поскольку устройства в основном являются портативными и ручными, снижение рассеиваемой мощности стало основной задачей современных разработчиков СБИС . Хотя элементы пути передачи данных можно отключить, когда они не используются, контроллеры всегда активны. В результате контроллер потребляет приличное количество ^{[ нужны разъяснения ]} мощности системы. Таким образом, энергоэффективный синтез автоматов стал очень важной проблемной областью, привлекающей множество исследований. Метод синтеза должен быть способен снизить как динамическую мощность, так и мощность утечки, потребляемую схемой.

Синтез автомата

Конечный автомат можно определить как пятерку, состоящую из набора основных входов, набора основных выходов, набора состояний, функции следующего состояния и функции выхода. Функция следующего состояния отображает текущее состояние и основные входные данные в следующее состояние; функция вывода отображает основные входы и текущее состояние на основные выходы. С помощью этой модели можно представить любую детерминированную последовательную функцию. Конечный автомат можно разделить на две части: комбинационную схему и память.

Оптимальный синтез конечных автоматов является важным шагом в цифровом проектировании. Три основных этапа синтеза автомата:

Минимизация состояний: количество состояний уменьшается за счет распознавания эквивалентных состояний, присутствующих в автомате, и их слияния. Когда минимизация состояния возможна, считается, что результирующий автомат будет легче построить.
Кодирование состояний. Сложность комбинационной логики зависит от присвоения кодов каждому из состояний в автомате. Это также называется государственным заданием. Хорошее государственное задание существенно снижает стоимость реализации. Существует множество методов кодирования, таких как кодирование Грея, двоичное кодирование и горячее кодирование.
Определение булевых функций для функций следующего состояния и вывода: Булевы уравнения могут быть получены с помощью двухуровневой структуры или случайной логики путем соединения логических примитивов. В любом случае для эффективной реализации необходимы булева минимизация, логическое разделение и декомпозиция.

Маломощный синтез

В схемах КМОП мощность рассеивается на затворе , когда выходной сигнал затвора изменяется с 0 на 1 или с 1 на 0. Оптимизация низкого среднего энергопотребления в цифровых схемах КМОП в большинстве случаев мотивируется уменьшением проблем, связанных с нагревом. генерируется интегральной схемой (ИС) или ограниченными ресурсами источника питания, как в портативном батарейным оборудовании с питанием.

Наиболее распространенный подход к синтезу автоматов малой мощности состоит в том, чтобы разделить автомат на два или более субавтоматов, в которых в любой момент времени активен только один из них. Проблему минимизации мощности можно рассматривать на различных уровнях: алгоритмическом, архитектурном, логическом и схемном. Динамическая мощность, потребляемая в синхронных КМОП-схемах, определяется выражением:

$P=V_{DD}^{2}f\sum _{i}{\alpha _{i}}{C_{i}},$ где $\alpha _{i}$ — вероятность передачи сигнала в течение тактового периода в узле $i$ , $C_{i}$ коммутируемая емкость, $V_{DD}$ напряжение питания и $f$ это тактовая частота.

Методы синтеза

Разделение FSM физически увеличивает площадь схемы, но снижает потребляемую динамическую мощность.
При синтезе кодирование состояния играет важную роль для эффективной реализации. Булево расстояние между кодами минимизируется с высокой вероятностью перехода с использованием вероятностного дескриптора автомата.
В подходе, основанном на предварительных вычислениях, с отключением ввода, блоки тракта данных, которые представляют собой комбинационную логику, отключаются, чтобы отключить значения входных сигналов. Это снижает динамическую мощность
В последовательных схемах методы затвора-синхронизации, такие как стробирование мощности, используются для отключения тактового сигнала в частях системы, которые простаивают.
В сложных микропроцессорах блоки с плавающей запятой и блоки кэш-памяти отключаются при простое. Этот метод называется динамическим управлением питанием.

Ограничения

Количество энергии, сэкономленной за счет разделения автомата, в основном определяется тем, насколько хорошо алгоритм разделения может группировать сильно связанные состояния вместе в подавтоматах и насколько велики затраты с точки зрения мощности на переход состояния из одного суб-FSM в другой.

Сноски

Ссылки

http://www.nptel.ac.in/courses/106103016/9
Л. Бенини, Дж. Де Микели, Государственное задание по малому рассеиванию мощности, Журнал IEEE по твердотельным схемам (1994) 32–40
В. Ноэт, Р. Колла, Кодирование состояний на основе связующего дерева для малой рассеиваемой мощности, Автоматизация проектирования и испытания в Европе (1999).
Самбху Натх Прадхан, М. Тилак Кумар и Сантану Чаттопадхьяй. 2011. Синтез конечных автоматов малой мощности с использованием энергетического вентиля. Интегр. Журнал СБИС 44, 3 (июнь 2011 г.), 175–184.
Сью-Хонг Чоу, И-Ченг Хо, ТинТин Хван и С.Л. Лю. 1996. Реализация конечных автоматов с низким энергопотреблением — подход декомпозиции. АКМ Транс. Дез. Автомат. Электрон. Сист. 1, 3 (июль 1996 г.)